4JSM-2000型棉秆粉碎与残膜回收联合作业机的设计与试验

由佳翰，陈学庚,2※，张本华，吴 杰

（1. 沈阳农业大学工程学院，沈阳 110866；2. 新疆农垦科学院机械装备研究所，石河子 832000；3. 石河子大学机械电气工程学院，石河子 832003）

4JSM-2000型棉秆粉碎与残膜回收联合作业机的设计与试验

由佳翰1，陈学庚1,2※，张本华1，吴 杰3

（1. 沈阳农业大学工程学院，沈阳 110866；2. 新疆农垦科学院机械装备研究所，石河子 832000；3. 石河子大学机械电气工程学院，石河子 832003）

为提高新疆秋后棉地残膜回收机械化水平，解决传统残膜回收机械普遍存在的残膜回收率低、含杂率高、残膜易缠绕和作业效率低等问题，该文研制了一种可一次完成棉秆粉碎还田、残膜回收、残膜与棉秆及土等杂物分离作业的秋后棉秆粉碎还田与残膜回收联合作业机。该机使用锤片式粉碎装置和螺旋搅龙输送装置，作业时起膜齿将残膜揭起后堆积在起膜齿末端处；偏心滚筒式拾膜机构将残膜拾起并运送至卸膜机构，捡拾滚筒壁上的卸膜槽与卸膜叶片协调配合完成卸膜作业，卸膜叶片通过卸膜辊的高速旋转产生离心风力，使落入蜗壳壳体内的残膜沿风道进入残膜回收箱，完成残膜回收。田间试验结果表明，该机在作业速度为6.0 km/h时，作业效率为1.15 hm2/h、棉秆粉碎合格率为90.1%、残膜回收率84.4%、膜秆分离率87.3%，棉秆粉碎还田和膜秆分离效果较好。该机各项参数满足农艺要求，研究结果有利于解决棉田残膜污染问题。

农业机械；塑料薄膜；秸秆；联合作业机；秸秆粉碎；地膜回收

由佳翰，陈学庚，张本华，吴 杰. 4JSM-2000型棉秆粉碎与残膜回收联合作业机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(10)：10－16. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.002 http://www.tcsae.org

You Jiahan, Chen Xuegeng, Zhang Benhua, Wu Jie. Design and experiment of 4JSM-2000 type combined operation machine for cotton stalk chopping and residual plastic film collecting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 10－16. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.002 http://www.tcsae.org

0 引 言

地膜覆盖技术对促进农作物生长、提高产量、防治杂草和节水有重要作用[1-2]。新疆于20世纪90年代中期开始大面积的使用地膜覆盖技术种植棉花，棉田铺膜率达100%[3]。中国农用地膜主要成分是聚乙烯类物质，若不回收，长期积累不仅会污染土壤还会阻碍水肥输导，影响棉花产量[4-5]。尽管针对残膜问题采取了很多措施进行解决，但残膜污染情况依旧严峻[6-9]。

秋后是回收残膜的较佳时期，但该时期棉花收获后棉秆残留量大并与残膜和土等杂质混杂在一起。所以，实现残膜回收机具作业时棉秆、土与残膜的分离，是秋后机械化残膜回收必须解决的问题[10-11]。针对棉田秋后残膜回收问题，国内的一些科研单位进行了相关研究。如新疆农垦科学院生产的 4FS2地膜联合回收机和 4SJ-1.6型残膜回收与秸秆粉碎还田机，新疆农业大学研制的气吹式秋后残膜回收机，石河子大学研制的SMS-1500型秸秆粉碎与残膜回收机，新疆农业科学院研制的4JSM-1800系列棉秆还田及残膜回收联合作业机。上述机型存在着功能较为单一，作业幅宽小不适用现今新疆棉田普遍使用2 050 mm宽度的地膜，残膜与土和棉秆不能有效分离，易出现堵塞，没有仿形功能起膜效果不稳定等问题[12-17]。

为解决上述问题，该文设计4JSM-2000型棉秆粉碎与残膜回收联合作业机，增加了风力搅龙输送装置，与原有锤片式粉碎装置组合用于棉秆粉碎还田，齿杆式起膜机构和偏心滚筒式拾膜机构同步作业完成残膜捡拾，气力式卸膜机构可防止与卸膜叶轮缠绕有助于将残膜抛送至残膜回收箱，以提高机具残膜回收率并降低含杂率，此外，大容积的残膜回收箱降低了卸膜次数，有效提高作业效率。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

机具结构如图 1所示，主要有悬挂装置、棉秆粉碎还田装置、起膜机构、偏心滚筒式拾膜机构、气力式卸膜机构、大容积残膜回收箱、机架、传动系统和地轮等部分组成。其中，棉秆粉碎装置由限深轮、刀轴、动刀片、定刀片、螺旋搅龙等组成；起膜机构有起膜齿、起膜架和角度调节板等组成；拾膜机构主要由捡拾滚筒和伸缩齿杆等组成；卸膜机构由卸膜辊和蜗壳等组成；卸膜辊由卸膜叶片与转动轴组成。机具在拖拉机的牵引下，可一次完成棉秆粉碎还田、起膜、拾膜、卸膜、残膜回收和压实土壤等一系列作业。

图1 4JSM-2000型棉秆粉碎与残膜回收联合作业机结构Fig.1 Structure of 4JSM-2000 type combined operation machine for cotton stalk chopping and plastic film collecting

1.2 工作原理

如图 1所示，田间作业时，机具以三点悬挂的方式与拖拉机连接，拖拉机动力输出轴通过传动轴与棉秆粉碎还田装置传动系统相连接，带动棉秆粉碎刀轴高速旋转，棉秆被动刀片和定刀片配合打碎或打成较小根块后落入螺旋搅龙内，由螺旋搅龙配合动刀片高速旋转产生的风力将粉碎后的棉秆抛送至地表一侧，实现棉秆与残膜分离。同时，起膜齿在棉秆已被粉碎的地表作业，将残膜揭起，揭起的残膜与土等杂质堆积在起膜齿末端处，伸缩齿杆随偏心轴转动捡拾残膜。在捡拾滚筒表面与伸缩齿杆对应处设有卸膜槽，残膜携带的土等杂质会通过卸膜槽落下，而残膜不会滑落出滚筒表面，实现了残膜与土的分离。当滚筒表面的残膜运动到卸膜机构时，卸膜辊将滚筒表面残膜拨下至蜗壳体内，高速旋转的卸膜叶片产生离心风力，风力使蜗壳体内的残膜吹出并顺着壳壁抛入残膜回收箱。

1.3 主要结构参数

表1 主要结构参数Table1 Key structure parameters

2 主要部件设计与运动分析

2.1 棉秆粉碎还田装置

2.1.1 棉秆粉碎机构

棉秆粉碎机构主要由限深轮、刀轴、动刀片、定刀片和螺旋搅龙组成。为保证轴向力均匀，棉秆粉碎良好，动刀片使用Y型刀片，采用螺旋线排列方式铰接在刀轴上，由《农业机械设计手册》可知，Y型刀片的甩刀密度一般为0.23～0.40片/cm，相邻两刀片的径向夹角一般要大于60°。该设计综合选取甩刀密度为0.26片/cm，作业幅宽2 100 mm，得甩刀数目为56片，相邻两刀片的径向夹角为90°。刀轴直径为254 mm，棉秆平均直径为10.35 mm（试验测得）为防止棉秆堵塞刀座间隙，经计算螺旋升角为15°时每组动刀的刀座间隙为33.23 mm满足要求。图2为动刀的刀座在刀轴上的排列展开图。

图2 刀座在刀轴上的展开图Fig.2 Unfold drawing of arrangement of knife-seat on cutter shaft

定刀片位于刀轴斜前上方粉碎机罩壳内侧，根据现有棉秆粉碎机具的设计经验，该文定刀刀片间距为45 mm。田间作业时，动刀片的刀端点绝对速度Va由拖拉机前进速度Ve和刀端点的线速度Vr合成，其运动方程为：

以刀轴轴心为原点，机具前进的反方向为x轴正方向，建立直角坐标系，如图3所示。

图3 动刀片运动分析Fig.3 Analysis of moving blade

取动刀片端部某点M（x，y），则M点运动轨迹方程为：

式中ω0为刀轴旋转角速度，rad/s；R为动刀片旋转半径，mm。

引入旋耕机研究中旋耕速度比λ，即动刀端点回转切线速度与机具前进速度之比，表达式为：

将式（3）代入（2）整理后得到方程：

式（4）表明，动刀作业过程中运动轨迹是摆线，据文献[11]可知当λ≤1时，动刀无法进行反复切碎，并且漏切严重；当λ＞1时，运动轨迹为余摆线，有重合部分，棉秆粉碎效果良好，动刀片在运动到最高点时，刀片端点水平速度方向与机具前进方向相反，有利于粉碎的棉秆进入螺旋搅龙壳体内。动刀片的线速度与刀轴的转速直接相关，刀轴的转速n公式如下：

本文机具动刀片旋转半径R设计为247 mm，刀轴转速为2 100 r/min。拖拉机的前进速度Ve为5～7 km/h，则计算可得刀端点的线速度Vr为52.35～52.90 m/s，满足大于48 m/s的设计需求[23]。

2.1.2 棉秆输送还田机构

棉秆输送还田机构是保证膜秆分离效果的重要工作机构。螺旋输送装置具有结构简单、操作方便和易于维修等特点，是农作物秸秆的主要运输方式之一[18-19]。卧式螺旋输送装置的参数较多，每个参数都影响着螺旋输送装置的输送能力，现分析一些主要参数的确定。

螺旋输送装置的理论输送量为单位时间内被粉碎的棉秆质量，该文拖拉机的作业速度范围在5～7 km/h，棉秆粉碎机构作业幅宽为 2.10 m，根据田间试验结果单位面积内平均粉碎棉秆质量为422.19 g/m2，根据计算可得螺旋输送装置的理论输送量Q约为1.23～1.72 kg/s。参照螺旋机输送机理与理论设计方法，各主要参数设计公式如下[20-22]。

式中K为粉碎棉秆特性系数；为倾斜系数；为填充系数；为输送棉秆的堆积密度，t/m3；

根据螺旋输送机设计标准[23]，秋后棉秆水分较大粉碎后有黏性易成块状，填充系数取0.20；粉碎棉秆特性系数K取0.071；因为螺旋输送装置水平放置，倾斜系数为1；粉碎棉秆的堆积密度经测算为0.12 t/m3。

将数值代入式（6）可计算出螺旋外径最小为392 mm，取整D=400 mm；将D=400 mm代入式（7）可计算出螺旋轴径在80～140 mm之间，为避免棉秆堵塞搅龙，取螺旋轴径d0=120 mm；由式（8）计算出螺距取值范围为200～880 mm，取螺距为400 mm。

2.2 残膜回收装置

2.2.1 起膜机构

起膜机构位于整机的最下方，由起膜齿、起膜架和角度调节板等组成，其结构如图 1所示。机具作业时，要求起膜齿具有较强的入土能力和稳定的作业深度，通过角度调节板对起膜齿的角度进行调节以满足起膜齿对起膜角度和深度的要求。该文通过正交试验确定起膜角和作业深度的最优值。

2.2.2 拾膜机构

拾膜机构的主要作用是将起膜机构揭起的残膜捡拾并运送至卸膜机构，主要由偏心轴、捡拾滚筒、伸缩杆齿和卸膜槽等组成，其结构如图4所示。

图4 拾膜机构示意图Fig.4 Schematic diagram of film collecting device

当伸缩齿杆捡拾起残膜上升时，残膜受力情况如图5所示。

图5 残膜受力分析Fig.5 Force analysis of plastic film

设伸缩齿杆离开作业面时与竖直方向的夹角为a2

式中d为伸缩齿杆最大作业深度，mm；l为伸缩齿杆回转半径，mm。

设伸缩齿杆端点C处残膜重力为G。

式中m为残膜质量，kg；g为重力加速度，m/s2；Gn为重力沿伸缩齿杆方向的法向分力，N；Gt为重力沿伸缩齿杆方向的切向分力，N。

设伸缩齿杆对残膜的法向作用力为F1

式中Pb为残膜所受惯性力，N；β为残膜所受惯性力与重力法向分力间夹角，(°)；r为残膜运动时的瞬时半径，mm；ω为捡拾滚筒转动角速度，rad/s。

伸缩齿杆能够捡拾残膜的必要条件为

式中f为残膜与伸缩齿杆的摩擦力，N；μ为残膜与伸缩齿杆的摩擦系数。

上式可简化为；

式中n1为捡拾滚筒转速，当 cosa2-μ2sina2＞0和μcosβ-sinβ＞0时，上式才有意义。经计算取μ=0.5时，a2＜63.44°、β＜26.56°。

以试验样机为例滚筒半径为290 mm，伸缩齿杆回转半径为340 mm，则取a2=52.5°，r=0.4 m，β=25°时，计算得出ω＞10.12 rad/s，即n1＞97 r/min。转速过大，伸缩齿杆会对残膜过度打击，使残膜进一步破碎，增加回收难度；转速过小，拾膜效率降低，不满足生产作业要求。根据上述理论分析结合实际作业情况，选取捡拾滚筒转速为110 r/min。

2.2.3 卸膜机构

卸膜机构主要是由卸膜辊（如图 6所示）和蜗壳组成，主要作用是将捡拾滚筒上回收的残膜拨至蜗壳内并吹入残膜回收箱内。为使作业过程中残膜顺利脱离卸膜叶片，需满足残膜在卸膜辊顶端受到的离心力大于与卸膜叶片间的吸附力和缠绕力[24]，即残膜脱离卸膜辊的条件为

式中v为卸膜叶片端部线速度，m/s；R1为卸膜辊回转半径，m；f1为卸膜叶片对残膜的摩擦力，N；m1单个叶片上残膜质量，N；q为卸膜叶片与水平面的夹角，(°)；n2为卸膜辊转速，r/min。1m为皮带静摩擦因数，取0.6。

卸膜辊设计转速n2≥1 000 r/min，代入式（19）、（20）可得R1＞0.254 m，取R1=0.260 m。按照试验过程中单个叶片上残膜质量1.89×10-3kg（试验测得）计算，残膜需要的悬浮速度为大于1.2 m/s[25]，由于田间作业时残膜含有少量土和棉秆等杂质，因此实际壳体内气流速度应大于此速度，满足残膜脱离卸膜辊的最小n2值为1 000 r/min经风速仪测得，当卸膜辊转速为1 000 r/min时，气流出口风速为7.4 m/s，满足理论要求。

图6 卸膜辊示意图Fig.6 Schematic diagram of film uploading roller

3 田间试验

3.1 试验条件

试验于2016年10月在石河子市149团11连进行，前茬作物为棉花，试验区棉花种植面积为600 m×550 m，试验地土壤类型为漠土，土壤坚实度为365 kPa，土壤含水率为18.24%；棉秆平均高度为 715 mm，平均直径为10.35 mm，含水率为20.15%；地膜宽度为2 050 mm，地膜厚度0.008 mm，地膜两边压入土中，膜中间有部分覆土，有少量破损；地表杂草较多，配套动力为88 kW拖拉机，图7为试验现场。

图7 田间试验现场Fig.7 Scene of field experiment

3.2 试验设计

起膜齿的作用是将地表下的残膜与土壤铲起，并沿起膜齿上升。起膜齿的起膜角对残膜回收质量有较大影响，为保证起膜期间土壤破碎掉落，残膜继续上升，根据文献[26]起膜齿起膜角范围在20°～35°之间为优。在新疆典型棉花种植区，残留地膜在各土层中均有分布[27]，而当年的地膜主要分布在地表浅层，本次试验选取起膜齿作业深度范围为 20～60 mm。机具作业速度范围为5.0～7.0 km/h。试验因素取值范围如表2所示[28]。

表2 试验因素水平Table 2 Experiment factors and levels

残膜回收率是衡量正交试验的主要指标，其值可用式（22）表示

式中η为残膜回收率，%；W1为回收残膜的质量，g；W0为试验地块所铺地膜的总质量，g。

3.3 试验结果

试验方案和结果如表 3所示，试验结果数据方差分析如表4所示。

表3 试验方案和结果Table 3 Test scheme and results

表4 方差分析Table 4 Variance analysis

根据表4可知3个因素对残膜回收率均匀显著影响。通过表3可知，误差项E极差远低于其他因素极差，说明因素间的交互作用对试验指标影响不明显，可以不考虑，则残膜回收率的影响因素主次顺序为B、A、C，较优方案为B2A2C1，由于C1与C2结果差距很小，考虑到作业效率，确定本试验的最优组合为B2A2C2。

3.4 最优组合试验验证

按照 GB/T25412-2010《残地膜回收机》和 GB/T24675.6-2009《保护性耕作机械：秸秆粉碎还田机》的要求[29-30]，在最优组合的参数条件下对试验样机进行作业性能试验，测试棉秆粉碎合格率、残膜回收率和膜秆分离率等作业参数，并考查机具作业时各个装置的工作配合情况。

3.4.1 试验性能指标

棉秆粉碎合格率为粉碎合格棉秆质量占测试地段上粉碎棉秆总质量的百分比。采用五点法测试，每个点取1 m2范围，测定范围内地表所有粉碎棉秆，棉秆长度≤150 mm为合格。棉秆粉碎合格率为

式中η1为棉秆粉碎合格率，%；W2为粉碎合格棉秆质量，g；W3为粉碎棉秆总质量，g。

膜秆分离率分别是评估机具工作性能优劣和棉秆粉碎还田的主要指标之一，膜杆分离率可由式（24）算得：

式中η2为膜秆分离率，%；W1为回收残膜的质量，g；W4为机具回收残膜和秸秆的总质量，g；

3.4.2 试验结果

表5 田间试验结果Table 5 Field experiment result

机具平稳作业后，随机选取5个作业长度为100 m试验区进行试验。经试验结果统计可知，机具平均作业效率为1.15 hm2/h，试验区地表凹凸不平且石块较多，机具作业颠簸严重造成部分传动系统松动造成与理论效率值1.26 hm2/h有一定误差；平均残膜回收率为84.4%。试验后地表残膜回收较干净，但有少量碎膜未被回收，这是因为留茬和伸缩齿杆对残膜的刮取导致部分残膜被打碎，此外试验区棉花是机械收获，一部分残膜、棉秆和土壤一起被压实，也给残膜的回收带来一定影响；平均膜秆分离率为87.3%，由于田间试验时间为初秋，棉秆含水率较大，在螺旋搅龙内有一定堵塞现象，造成棉秆抛出距离不够，导致少量粉碎的棉秆被捡拾回收，影响了膜秆分离率；平均棉秆粉碎合格率为90.1%。与目前现有的秋后残膜回收机械相比较，例文献[11]虽然机具作业各测试性能较优，但机具作业幅宽已不适用现今新疆棉田普遍使用的地膜宽度，该文针对新的作业幅宽设计的4JSM-2000型棉秆粉碎与残膜回收联合作业机，结构创新，各项参数满足农艺要求，尽管在残膜回收率和膜秆分离率上低于该文献，但无明显差异。

4 结 论

1）该文针对现今新疆棉田普遍使用的2 050 mm宽度的地膜设计了能够一次性完成棉秆的粉碎输送还田、膜土杆分离和残膜回收等作业的联合作业机。该机各项参数满足农艺要求，有利于解决新疆棉田残膜污染问题。

2）通过理论分析与性能试验确定了棉秆粉碎还田装置、残膜捡拾滚筒和卸膜机构的关键部件结构及工作参数。

3）在确定捡拾滚筒的转速为110 r/min、卸膜辊转速为1 000 r/min的基础上，经正交试验得知起膜齿的最优参数组合为起膜角30°、作业深度40 mm，机具作业速度6.0 km/h，在最优组合的参数条件下进行田间试验，结果显示棉秆粉碎合格率为90.1%，膜秆分离率为87.3%，作业效率为1.15 hm2/h，残膜回收率为84.4%。

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Design and experiment of 4JSM-2000 type combined operation machine for cotton stalk chopping and residual plastic film collecting

You Jiahan1, Chen Xuegeng1,2※, Zhang Benhua1, Wu Jie3
(1.College of Engineering, Shenyang Agricultural University,Shenyang110866,China; 2.Mechanical Equipment Research Institute,Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi832000,China;3.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi832003,China)

In order to improve the mechanization of the domestic equipment for recycling agricultural plastic film in cotton field of Xinjiang, and solve the common problems existing in traditional plastic film recovery machine including low recovery rate of plastic film, high impurity content of recovered plastic film, difficult to separate stalk and soil from plastic film, plastic film easy to wrap cotton stalk and film collecting parts, and low efficiency, the 4JSM-2000 type cotton stalk chopping and plastic film collecting machine was designed, for collecting residual plastic film with width of 2 050 mm. The designed mainly consisted of suspension device, cotton stalk chopping device, stalk conveying device, loosening film device, film collecting device, film removing device, transmission system, plastic film box, and so on. It could realize cotton stalk chopper returning,plastic film recycling, and soil and straw separation from plastic film with one operation. The machine combined the hammer type stalk chopping device and spiral convey device. The separation effect was good. When the machine operated, the plastic film was lifted from the field by loosening film tooth, and piled up on the end of loosening film tooth. The film collecting device picked up plastic film and delivered it to the film-unloading entrance. The plastic film was unloaded by the cooperation of unloading impeller and film-unloading groove on the cylinder. Strong centrifugal wind produced by high speed rotation of the film unloading roller blew the plastic film in volute into the residual film box. The working parameters of loosening film tooth were determined through the orthogonal test. The penetrating angle, operation depth, and operation speed were taken as 3 factors, and a three-factor and three-level orthogonal test was conducted. In the test, the penetrating angle was 30°, operation depth was 40 mm, operation speed was 6 km/h were the optimal combination. The film collecting device mainly included eccentric shaft, cylinder, retractable finger frame, and so on. The device had high film collecting rate. Through the force analysis, the rotation speed of cylinder should need greater than 97 r/min, if the rotation speed of cylinder was too fast, the retractable finger would broken plastic film, increased the difficulty of recycling, and comprehensive consideration the rotation speed of cylinder was 110 r/min The film uploading device mainly included shaft, uploading film roller, uploading film impeller, volute, and wind increasing hole, and so on. The film unloading device was designed based on the force analysis and experiment, the working speed of film uploading rotation shaft was greater than 1000 r/min. Results of field experiment demonstrated that when the traction speed of tractor was 6.0 km/h, the operating efficiency was 1.15 hm2/h, the qualified rate of cotton straw chopping was 90.1%, when the cutter shaft speed was 2100 r/min, the recovery rate of agricultural plastic film was 84.4%, and the separation ratio of cotton straw and plastic film was 87.3%. The parameters of the machine meet the agricultural requirements. The research results may be helpful for solving the problem of plastic film pollution in cotton field.

agricultural machinery; plastic films; straw; combined operation machine; stalk chopping; plastic film recycling

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.002

S223.5

A

1002-6819(2017)-10-0010-07

2016-11-08

2017-04-25

农业部公益性行业（农业）科研专项项目（201503105）

由佳翰，男，辽宁海城人，博士生，主要从事智能农机装备设计研究，沈阳 沈阳农业大学工程学院，110866。Email：synydxyjh@163.com

※通信作者：陈学庚，男，江苏泰兴市，中国工程院院士，研究员，博士生导师，从事农业机械设计研究。石河子 新疆农垦科学院机械装备所，832000。Email：chenxg130@sina.com